上行开采研究报告1.doc
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6深井近距煤层复合顶板上行开采可行性与开采程序优化
深井近距煤层覆岩特性与上行开采技术研究
项目研究报告
1上行开采研究的必要性与技术思路
1.1上行开采的国内外研究现状
上行开采是煤矿生产必须解决的重要课题。
在某些地质及开采技术条件下，上行开采在安全、开采技术及提高经济效益等方面具有独特作用，可以解决下行开采无法从根本上解决的重要问题，能消除下行开采所产生的一些缺点。
因此，合理地运用上行开采有着极其重要的意义。
我国自70年代末期开始关注和试验上行开采问题，并逐渐积累了很多宝贵的经验。
采用上行开采方式，在开采解放层确保矿井安全生产、上下煤层配采达到矿井设计能力、上行开采提高矿井产量和经济效益、复采采空区上方遗留煤层解放呆滞煤量等方面发挥了重要作用。
前苏联库兹巴斯矿区采用上行开采方式提高矿井生产能力，波兰在建筑物及铁路下采煤时，有时也采用上行开采方式，两国都积累了上行开采的实践经验。
国内外在上行开采的研究及应用方面，其主要成果是关于上行开采层间距、上行开采主要影响因素方面，并在缓倾斜、倾斜及急倾斜煤层中试验与应用上行开采。
对上行开采层间距的认识有：
比值法、三带判别法、数理统计分析法、围岩平衡法。
上行开采的一系列理论与技术问题急待进行深入的研究与试验。
在理论上，没有研究揭示上行开采覆岩特性，如覆岩裂隙发育规律、覆岩结构分带规律、深井高地压近距离煤层上行开采的岩层结构平衡条件等上行开采的核心理论问题；在技术与方法上没有针对深井高地压的特点，研究提供上行开采的基本层间距判别方法、层间距与上行开采效果的关系、上行开采层间距的区间划分，还不能有效地解决深井近距煤层上行开采可行程度的判别问题；在研究与应用领域上，还不能分析及预测复合顶板煤层上行开采可行性。
总之，现有的经验判别方法，理论基础不足、结果偏于保守、不能判别上行开采可行程度、不能适应深井高地压及复合顶板的上行开采可行性分析。
需要进行深入研究，在上行开采理论基础与技术方法上取得突破。
经检索，国内外尚没有关于深井近距煤层覆岩特性与复合顶板上行开采的研究与实践。
1.2课题研究的必要性
1.2.1深井近距煤层覆岩特性与上行开采可行性评价方法是急待研究的课题
1）我国煤矿开采深度逐年增大，不少矿井的采深已达到600m以上，一些矿井已达到800～1100m。
在深井开采中，冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道支护、工作面复合顶板或松软顶板管理等一系列高地压现象日益突出。
改变常规的下行开采方式，优化开采程序，实行上行开采或部分煤层上行开采，是解决高地压问题的有效途径。
2）在理论上，必须研究揭示深井近距煤层上行开采的覆岩运动与破坏特性，如深井高地压作用下的覆岩裂隙的分带规律、覆岩结构的分带规律、岩层结构的平衡条件等，才能阐明近距煤层上行开采机理。
3）在技术与方法上，必须针对深井高地压的特点，研究提供上行开采的基本层间距、层间距与上行开采效果的关系、上行开采区间划分，从而突破传统的经验判别方法，对近距煤层上行开采可行程度做出预测，为开采程序的优化、采掘部署提供设计决策依据。
4）在研究与应用领域上，采用上行开采方式解决深井高地压问题，煤层复合顶板问题，还是需要研究与试验的课题。
项目以新汶矿区孙村煤矿千米深度二、三、四层煤为工程背景，采用井下探测、物理模拟、计算模拟、理论分析等方法，比较系统地研究了深井中硬覆岩上行开采中的一系列理论与技术问题，如覆岩裂隙发育的亚分带规律、覆岩结构状态的分带规律、上行开采作用效应、复合顶板上行开采、上行开采基本层间距与区间划分等可行程度的判别方法、合理时空关系等，并通过工业性试验取得了显著的技术与经济效果，为改变矿区开采程序、采掘部署及上行开采设计提供了理论与实践依据。
1.2.2新汶矿区深井近距煤层复合顶板上行开采研究的必要性
新汶矿区孙村、良庄、协庄、翟镇、鄂庄等矿井，二、三、四层煤下行开采中存在着诸多弊端，严重制约着矿区高产高效生产与安全生产水平，研究与试验深井近距煤层复合顶板的上行开采技术，已成为新汶矿区的紧迫需要。
而深井近距煤层复合顶板上行开采效应与机理、上行开采可行程度判别、适用条件、开采程序优化、合理时空关系、安全技术措施、上行开采的合理性等一系列理论与技术问题，关系到矿井开采程序、采掘部署、上行开采设计、安全高效生产等大局，急待进行深入系统的研究与试验。
项目研究与试验工作在孙村煤矿进行，目前孙村煤矿已进入深部-800水平开采，-800水平的埋深为980m。
井田内上组煤的主采煤层为二、四层煤，煤层倾角一般为19~240，二、四层煤层间距平均为22m，二层煤厚度0.7~4.0m，平均3.0m，四层煤厚度1.07~2.32m，平均1.79m。
三层煤部分区域可采，煤层厚度0.69～1.23m，平均0.93m，与二层煤的层间距为3～7m，平均5m。
下行开采中存在以下四个方面的突出问题，必须研究上行开采与煤层开采程序。
1）深井复合顶板巷道支护状况迫切需要研究上行开采
孙村煤矿二层煤为典型的复合顶板条件，如3218、3219工作面煤层下位厚度一般为2.6~2.8m左右，中部含有厚度为0.4~0.6m左右夹矸，上位煤厚0.3~0.4m左右，工作面和巷道沿煤层底板布置，形成了下软上硬的复合顶板。
在深井高地压作用下，巷道复合顶板变形破坏十分严重，巷道支护难度大，维护状况差，巷道维护工作量大，一直未能得到有效的解决，制约着矿井生产效率与经济效益的提高。
研究和试验上行开采程序，可以通过降低二层煤的应力水平，降低巷道支护与维护难度，显著改善巷道支护效果。
2）矿井产量及深井复合顶板管理状况迫切需要研究上行开采
二层煤夹矸稳定性差，工作面托顶煤开采，在深井高地压作用下复合顶板工作面顶板管理复杂，推进速度慢，明显制约着四层煤工作面的推进速度。
而四层煤顶底板一般均为细砂岩，巷道支护与顶板管理状态比较好，工作面推进速度快。
而且，四层煤含硫量低、灰分低，煤质好，二层煤含硫量高，灰分高。
因此，二层煤深井复合顶板控制状况，不仅严重影响着二层煤开采的技术效果和经济效益，而且明显制约着矿井生产能力与产量及煤质。
研究和试验上行开采程序，不仅可以大幅度提高矿井产量和煤质，而且有可能通过降低二层煤开采时的应力水平，显著地改善二层煤工作面的顶板管理状况。
3）矿区冲击地压防治十分需要研究和试验上行开采
根据孙村煤矿冲击倾向性试验结果：
二层煤属强烈冲击倾向，二层煤顶板属中等冲击倾向；四层煤属中等冲击倾向，四层煤顶板无冲击倾向。
即采掘过程中二层煤的冲击地压危险程度远大于四层煤，尤其是下行开采时二层煤的危险性更大。
研究和试验上行开采，一方面可以降低二层煤及其顶板的冲击倾向性，另一方面又可以明显降低二层煤采动应力水平，从而必将可以显著地降低二层煤采掘过程中的冲击地压危险性。
4）矿区底板岩巷跨采维护和二层煤复采应当研究和试验上行开采
由于二层煤深井复合顶板条件下巷道支护与工作面顶板管理问题十分突出，工作面推进速度慢，对底板岩巷的跨采维护十分不利，为此，孙村煤矿—800水平井底车场及东大巷采用四层煤4418、4419工作面跨采维护。
由此形成了上位二层煤能否再行开采的上行开采问题，即4218、4219工作面可否上行开采，4218开采与不开采对井底车场有何影响，4219工作面如何布置等问题。
因此，研究和试验上行开采是深井底板巷道跨采维护和二层煤煤炭资源复采回收的需要。
1.3课题研究的意义
本项目研究揭示深井近距煤层上行开采的中硬覆岩裂隙亚分带规律、覆岩结构分带规律、岩层结构平衡条件，可阐明近距煤层上行开采机理；研究建立上行开采基本层间距、区间划分、合理时空参数，可为上行开采的可行程度预测、开采程序优化、上行开采设计提供设计决策依据。
在上行开采理论与技术方法上取得重要突破，为深井近距煤层上行开采提供理论与实践依据。
深井近距煤层复合顶板上行开采技术的研究与试验，对孙村煤矿及新汶矿区具有重要的现实意义。
1）研究和试验上行开采，解决下行开采时二层煤工作面推进速度慢，制约四层开采和矿井采掘接替问题，可同时实现四层煤、二层煤的高效开采，大幅度提高矿井和矿区的高产高效生产水平。
2）研究和试验上行开采，降低二层煤采动应力水平，有效地解决二层煤复合顶板巷道支护与工作面顶板管理方面多年未能有效解决的难题，大幅度提高二层煤开采的技术效果和经济效益。
3）研究和试验上行开采，可以显著降低具有强烈冲击倾向性的二层煤开采中的冲击地压危险程度，有效地防治冲击地压灾害，大幅度提高矿井和矿区的安全生产水平。
4）研究和试验上行开采，有利于深井高地压底板巷道跨采维护，实现二层煤煤炭资源的复采，提高矿井投资效益和资源回采率。
5）深入系统地研究深井近距煤层上行开采的一系列理论与技术问题，优化二、三、四层煤开采程序，可为矿井和矿区采掘部署、上行开采设计与安全生产提供可靠的依据，实现深井近距煤层的合理上行开采，推进孙村深部矿井及新汶矿区生产技术效果和高产高效生产水平的大幅度提高。
1.4主要研究内容
项目以新汶矿区孙村煤矿—800水平二、四层煤为工程背景，针对深井近距煤层中硬覆岩的工程地质特点，研究其上行开采的机理与主要技术问题，并进行井下工业性试验。
主要内容如下：
1）深井中硬覆岩裂隙发育分带特征的井下探测研究
近距煤层上行开采的可行性主要取决于下位煤层采厚、层间距、层间岩性等关键因素。
下位煤层先行开采后，覆岩裂隙发育的分带特征是分析确定近距煤层复合顶板上行开采可行程度的主要依据。
为此,在3218、3219工作面中间巷内向底板中打3个观测钻孔，采用双端堵水测漏技术测定覆岩裂隙发育的分带特征和冒落带高度，综合分析裂隙的亚分带发育规律。
2）深井近距煤层复合顶板上行开采覆岩运动与结构状态的物理模拟
下位煤层开采后，上位煤层及其顶板结构完整、不发生台阶错动是上行开采的前提。
为此，采用物理模拟方法，模拟研究上行开采的覆岩与煤层的移动变形与结构状态，为四层煤工作面后续开采的井下工业性试验提供依据。
根据相似理论，把握深井倾斜近距煤层特点，在实验室制作平面相似材料实验模型,直观模拟展现上行开采过程，分析研究下位煤层开采后的覆岩运动与结构状态、二、三层煤及顶底板结构特征、覆岩结构的分带特征及规律、二层煤复合顶板上行开采的可行性。
3）深井近距煤层上行开采应力分布与作用效应的计算模拟
深井近距煤层上行开采对高地压危害卸压作用效果，是实行上行开采方式的主要目的。
为此，采用有限元计算机数值模拟研究方法，研究上行开采的应力分布与作用效应，为上行开采的卸压保护机理分析、开采设计及安全技术提供依据。
有限元数值模拟研究采用从日本软脑公司引进的2D-有限元软件进行，研究提供下位煤层开采后的应力分布、卸压保护范围、对上位煤层的采动作用效应、上位煤层开采时应力分布与上行卸压机理、煤柱影响区工作面应力状态与危险性评价。
4）上行开采的基本层间距与区间划分
（1）上行开采的基本层间距
下位煤层厚度及上位煤层的层间距是上行开采的首要因素，这两者都是随煤层赋存状况而变化的，必须研究确定可以进行上行开采的基本间距。
为此，综合分析覆岩裂隙亚分带规律、覆岩结构分带规律等上行开采的覆岩特性，对岩层结构进行稳定条件分析，从而研究确定基本层间距与下位煤层厚度的对应关系，为正确划分上行开采块段提供依据。
（2）上行开采的区间划分
依据覆岩裂隙亚分带规律、覆岩结构分带规律，分析上位煤层处于不同分带内上行开采的可行程度，从层间关系上进行上行开采区间划分，为评价和预测上行开采可行程度与效果提供判别方法。
（3）上行开采的合理时空参数
研究确定上行开采的上部边界、下部边界、走向边界附近的高峰应力传播角、卸压角，提供上位煤层采掘布置的合理时空参数，解决上位煤层巷道布置和工作面回采与下位煤层采空区的时空关系问题。
5）上行开采可行性与煤层开采程序优化
（1）二、三、四层上行开采可行性与开采程序优化
根据井下探测及物理模拟研究成果，从覆岩裂隙亚分带规律、覆岩运动与结构分带规律出发，采用上行开采基本层间距与区间划分作为判别方法，综合分析论证二、三、四层近距煤层上行开采的可行程度，对深井高地压及复合顶板上行开采效果做出评价，从而优化煤层开采程序。
（2）4218、4219面上行开采可行性分析
4218、4219面下位四层煤工作面已经实施了跨采井底车场，从上行开采可行性和井底车场的维护出发，分析研究4218、4219工作面开采对井底车场的影响，论证其开采的可行性。
6）深井上行开采局部应力迭加区的安全开采技术
由于采掘接替、资源回收及地质构造等方面的制约，有时难以避免地形成二、四层局部应力迭加区，如3218、3219工作面与4418、4419采空区边界附近的局部应力迭加区。
在二、四层煤采动应力迭加区内，将出现局部高应力作用，且二层煤属强烈冲击倾向性，具备了发生冲击地压灾害的条件，根据孙村煤矿开采经验，在煤柱应力迭加区内进行采掘活动，极易发生冲击地压。
为此着重从防治冲击地压灾害出发，研究制定局部应力迭加区的安全开采技术与措施。
主要包括：
（1）冲击危险区域的预测
（2）危险区域的综合防治技术与措施
7）深井倾斜近距煤层复合顶板上行的工业性试验
（1）对3218、3219工作面上行开采进行工业性试验，总结分析二层煤上行开采的巷道支护与工作面顶板管理状况，为上行开采提供实践依据。
（2）对上行段、下行段的巷道和工作面，进行矿压实测工作，进行上行开采对比分析研究。
1.5研究方法与技术路线
本项目研究始终紧扣深井高地压覆岩运动与应力分布，并由几个有机结合的研究部分组成：
机理与效应——规律与方法——可行性论证——试验总结,如图1-1。
项目在井下探测研究、物理模拟、计算模拟、基本规律与方法研究、可行性分析、工业性试验、安全技术研究的基础上，形成比较深入、系统的深井近距煤层上行开采的理论、方法与实践成果。
图1-1研究方法与技术路线
2覆岩裂隙发育分带特征的井下探测研究
项目探测研究以新汶矿业集团孙村煤矿为工程实例，井下探测四层煤采空区覆岩裂隙发育的分带特征，为研究近距煤层上行开采的覆岩特性与可行性判别方法提供依据。
近距煤层上行开采的可行性主要取决于下位煤层采厚、层间距、层间岩性等关键因素，四层煤先行开采后，二、三层煤及其顶板的结构完整、不发生台阶错动是上行开采的前提；当层间岩层性为坚硬、中硬以上岩层时，上煤层应位于下煤层最近的不发生台阶错动的覆岩平衡岩层（裂隙带上位岩层）以上。
因此，探测研究四层煤采空区覆岩裂隙发育的分带特征，揭示中硬覆岩冒落带与裂隙带高度、裂隙带内覆岩裂隙发育程度的亚分带规律，从而确定二、三层煤在覆岩裂隙亚分带中的层位及受下位采动影响后的裂隙发育程度，可以提供二、三、四层煤上行开采可行性的实际依据，提高上行开采论证的可靠性，这是十分必要的。
2.1工程地质条件
2.1.1煤系地层概况
综合柱状：
孙村煤矿-800新水平埋深达980m，上组煤的主采煤层为二、四层煤，倾角一般为19°～25°。
矿井综合柱状如图2-1所示，二层煤厚度为（0.7～4.35）/2.14m，四层煤厚度为（1.07～2.32）/1.79m，层间距平均为22m，煤层顶底板以砂岩、粉细砂岩为主体；三层煤厚度为（0.69~1.23）/0.93m，部分区域可采，与四层煤之间的层间距为（6.0~28.0）/16.0m，与二层的层间距为（3.0~7.0）/5.0m。
四采区：
由于二层煤工作面推进速度慢，1999年以四采区四层煤4418、4419工作面作为新水平的首采面，实现了对井底车场的跨采维护，其上部二层煤4218、4219工作面范围成为呆滞煤量。
4418、4419工作面柱状如图2-2所示，四层煤厚度（1.15～2.15）/1.82m，二层煤厚度平均2.02m，上部为夹矸与煤层，二、四层煤层间距为20～21m，地面标高+180.13m，工作面标高-638.67～-759.65m，采深818.8～939.78m，煤层倾角（19°～24°）/22.2°，工作面斜长（273～317）/295m。
三层煤厚度为1m，与四层的层间距为13m，与二层的层间距为6m。
三采区：
首采面为二层煤3218、3219工作面，在倾斜方向与四采区4418、4419工作面相对应，工作面柱状如图2-3所示。
二层煤厚度（1.6～2.8）/2.31m，上部为夹矸及煤线，工作面托顶煤、夹矸及煤线开采，属于复合顶板工作面；二、四层煤层间距22.4m；地面标高+180.41m，工作面标高-630.49～-745.52m，采深810.9～925.93m，煤层倾角（16.5°～23.8°）/20.5°，工作面斜长（263～285）/274m。
三层煤厚度为0.8m，与四层煤的层间距为16m，与二层煤的层间距为5.4m。
图2-1矿井综合柱状图
图2-24418-4419工作面综合柱状图图2-33218-3219工作面综合柱状图
图2-480-2钻孔柱状图
80-2钻孔：
位于3219工作面下侧附近，如图2-4所示，二、四煤层顶底板岩层基本上为砂岩，四层煤至二层煤之间层间距为21m左右，从下至上岩性依次为：
细砂岩（7.32m）、粗砂岩（2.70m）、细砂岩（4.88m）、煤3（0.52m）、细砂岩（5.70m）。
四层煤厚度为2.18m，二层煤厚度2.66m。
二层煤顶板为细粉砂岩互层（10.54m）、中砂岩（9.20m）。
三层煤至二层煤的层间距为5.7m。
2.1.2岩石力学参数
孙村煤矿在进行冲击地压倾向性鉴定时，进行了二、三、四层煤及顶底板岩石力学性质试验，煤样在距顶板1～2m范围内取样，顶板岩样在距煤层1～2m范围内取样，底板岩样在距煤层0.5m左右取样，共进行了7种参数的力学性试验，试验结果见表2-1。
表2-1二、四层煤及顶底板岩石力学性质
工作面
二层煤1218
四层煤1417
岩性
顶板中砂岩
二煤
底板中砂岩
顶板粉砂岩
四煤
底板粉砂岩
抗压强度/MPa
146.6
23.5
40.4
104.1
19.2
54.5
抗拉强度/MPa
8.6
1.25
3.7
5.7
1.25
3.8
粘结力/MPa
39.1
2.6
11.5
28.4
6.7
14.0
内摩擦角/°
35
25
31
28.1
28.8
40
抗弯强度/MPa
16.8
16.0
弹性模量/103MPa
37.5
2.11
23.7
24.5
1.17
泊松比
0.16
0.24
根据孙村煤矿历年来岩石力学性试验结果，汇总二、三、四层附近煤层岩抗压强度见表2-2。
孙村煤矿二四层煤冲击地压倾向性鉴定认为：
二层煤层属强烈冲击倾向，顶板属中等冲击倾向；四层煤属中等冲击倾向，顶板无冲击倾向；复合模型试验证明顶底板岩石对煤层冲击强度有很大的影响，防治冲击地压时应充分考虑顶底板对冲击强度的影响，有关试验结果见表2-3、4、5。
表2-2二、四层附近煤岩抗压强度汇总
岩性
抗压强度/MPa
岩性
抗压强度/MPa
二层顶板中砂岩
60.46
三层顶板炭质页岩
二层顶板粉砂岩
三层煤
二层煤
三层底板细砂岩
二层底板中砂岩
四层顶板中砂岩
二层底板泥岩
26.07
四层煤
四层底板粉砂岩
2-3四层煤工作面煤的冲击倾向鉴定
项目样别
1417工作面上
1417工作面下
干样
水22天
干样
水22天
抗拉强度/Mpa
1.27
1.26
抗压强度/Mpa
14.4~20.1（17.6）
7.5~23.4（16.5）
14.8~32.1（18.9）
12.3~28.3（16.4）
弹性能量指数WET
2.0
1.17
2.34
1.9
动态破坏时间DT/ms
51
72
116
170
强度变化率/%
47.9~26.5
10.4~15.5
冲击倾向综合评断结果
中等
弱
中等
弱
2-4二层煤工作面的冲击倾向鉴定
样别
项目
1218工作面上
1218工作面下
干样
水22天
干样
水22天
抗拉强度/Mpa
1.02
1.49
抗压强度/Mpa
26.5~41.7（29.3）
19.1~30
13.3~19.8（17.7）
12.1~16.2（15.5）
弹性能量指数WET
2.54
2.14
1.79
0.7
动态破坏时间DT/ms
33
129
39
250
强度变化率/%
27.5~28.0
9.0~18.2
冲击倾向综合评断结果
强烈
中等
中等
弱
表2-5顶板冲击倾向评判
项目样别
二层煤1218工作面
四层煤1417工作面
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
采样深度/m
838~839
838~839
825~841
823~829
抗弯强度/Mpa
11.8
21.7
13.0
18.9
视密度/kg/m3
2598
2586
2612
2609
弹性模量/104Mpa
3.5
4.0
2.1
2.8
弯曲能量指数/KJ
17.29
4.97
冲击倾向鉴定类别
中等冲击倾向
无冲击倾向
2.2井下探测研究方案
覆岩破坏范围的探测方法既有传统的钻孔冲洗液法，也有现代的钻孔电视、数字测井等方法。
这些方法有的观测误差较大，有的成本高、技术复杂，不宜简单采用。
为此，山东科技大学研制出专利技术“双端封堵测漏装置”（原理图为2-5），用于井下探测二带高度既方便又有较高的观测精度，且此技术已应用于龙口三软地层、兖州中硬地层的薄及厚煤层、徐州、大屯、肥城的中厚煤层条件下，取得了令人满意的观测成果。
因此，本次探测采用该项技术。
图2-5俯（垂）孔分段注水观测系统示意图
2.2.1探测钻孔布置及探测深度
1）探测钻孔布置
探测钻孔设计位置：
如图2-6所示，三采区二层煤3218、3219工作面布置时，其开切眼进入四采区四层煤4418、4419工作面采空侧60~70m，根据二层煤巷道布置及四层煤采空区的空间关系，确定将探测钻孔布置于3218、3219工作面的中间巷内。
根据探测方法的要求,设计原始对比孔1个，位于4418、4419采空区外侧40m处；采后探测孔2个，分别位于4418、4419采空区内侧20m、40m处。
图2-6设计探测区布置示意图
探测钻孔实际位置：
根据井下对采空区内侧20m处的采后1#钻孔的观测，结合四层煤顶板初次来压步距30~35m的实际情况，调整钻孔布置为：
采后探测孔3个，分别位于4418、4419采空区内侧20m、12m、4m处。
经过采后3个探测孔的观测，对四煤开采后的顶板裂隙发育状况完全可以确定，采前原始对比孔不再施工。
详见探测区布置示意图2-7。
图2-7实际探测区布置示意图
2）探测深度
根据二层煤与四层煤的层间距及四层煤的厚度，四煤开采后，四层煤与二层煤之间的岩层都将发生不同程度的破坏与变形，裂隙带有可能波及到整
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